【编程之美】不要被阶乘吓倒+SOJ-1159

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阶乘(Factorial)是个很有意思的函数,但是不少人都比较怕它,我们来看看两个与阶乘相关的问题:
1. 给定一个整数N,那么N的阶乘N!末尾有多少个0呢?例如:N=10,N!=3 628 800,N!的末尾有两个0。
2. 求N!的二进制表示中最低位1的位置。

分析与解法
有些人碰到这样的题目会想:是不是要完整计算出N!的值?如果溢出怎么办?事实上,如果我们从“哪些数相乘能得到10”这个角度来考虑,问题就变得简单了。
首先考虑,如果N!= K×10M,且K 不能被10 整除,那么N!末尾有M 个0。再考虑对N!进行质因数分解,N!=(2x)×(3y)×(5z)…,由于10 = 2×5,所以M 只跟X 和Z相关,每一对2 和5 相乘可以得到一个10,于是M = min(X, Z)。不难看出X 大于等于Z,因为能被2 整除的数出现的频率比能被5 整除的数高得多,所以把公式简化为M = Z。
根据上面的分析,只要计算出Z 的值,就可以得到N!末尾0 的个数。
【问题1 的解法一】
要计算Z,最直接的方法,就是计算i(i =1, 2, …, N)的因式分解中5 的指数,然后求和:
代码清单2-6
ret = 0;
for(i = 1; i <= N; i++)
{
j = i;
while(j % 5 ==0)
{
ret++;
j /= 5;
}
}
【问题1 的解法二】
公式:Z = [N/5] +[N/52] +[N/53] + …(不用担心这会是一个无穷的运算,因为总存在一个K,使得5K > N,[N/5K]=0。)
公式中,[N/5]表示不大于N 的数中5 的倍数贡献一个5,[N/52]表示不大于N 的数中52的倍数再贡献一个5,……代码如下:
ret = 0;
while(N)
{
ret += N / 5;
N /= 5;
}
问题2 要求的是N!的二进制表示中最低位1 的位置。给定一个整数N,求N!二进制表示的最低位1 在第几位?例如:给定N = 3,N!= 6,那么N!的二进制表示(1 010)的最低位1 在第二位。

为了得到更好的解法,首先要对题目进行一下转化。
首先来看一下一个二进制数除以2 的计算过程和结果是怎样的。
把一个二进制数除以2,实际过程如下:
判断最后一个二进制位是否为0,若为0,则将此二进制数右移一位,即为商值(为什么);反之,若为1,则说明这个二进制数是奇数,无法被2 整除(这又是为什么)。
所以,这个问题实际上等同于求N!含有质因数2 的个数。即答案等于N!含有质因数
2 的个数加1。
【问题2 的解法一】
由于N! 中含有质因数2 的个数,等于 N/2 + N/4 + N/8 + N/16 + …1,
根据上述分析,得到具体算法,如下所示:
代码清单2-7
int lowestOne(int N)
{
int Ret = 0;
while(N)
{
N >>= 1;
Ret += N;
}
return Ret;
}
【问题2 的解法二】
N!含有质因数2 的个数,还等于N 减去N 的二进制表示中1 的数目。我们还可以通过这个规律来求解。
下面对这个规律进行举例说明,假设 N = 11011,那么N!中含有质因数2 的个数为 N/2+ N/4 + N/8 + N/16 + …
即: 1101 + 110 + 11 + 1
=(1000 + 100 + 1)
+(100 + 10)
+(10 + 1)
+ 1
=(1000 + 100+ 10 + 1)+(100 + 10 + 1)+ 1
= 1111 + 111 + 1
=(10000 -1)+(1000 - 1)+(10-1)+(1-1)

= 11011-N 二进制表示中1 的个数

小结
任意一个长度为m 的二进制数N 可以表示为N = b[1] + b[2] * 2 + b[3] * 22 + … + b[m] *
2(m-1),其中b [ i ]表示此二进制数第i 位上的数字(1 或0)。所以,若最低位b[1]为1,则说
明N 为奇数;反之为偶数,将其除以2,即等于将整个二进制数向低位移一位。
相关题目
给定整数n,判断它是否为2 的方幂(解答提示:n>0&&((n&(n-1))==0))。


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